氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由機械噪聲和氣動噪聲組成，氣動噪聲具有強度高、危害大的特點，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。應用FLUENT 軟件動態(tài)模擬泵的內(nèi)部流場，對兩葉、三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲進行比較，分析氣動噪聲產(chǎn)生的來源，為設計低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。同時對兩種轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進行測試，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲明顯低于兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵。

　　氣冷式羅茨真空泵具有結構簡單、工作可靠，能夠在高壓差和高壓縮比下正常運行，縮短大容器的抽空時間等優(yōu)點，近年來廣泛應用于大型空間模擬裝置、汽輪機動平衡裝置以及化工等各行業(yè)，市場前景廣闊、經(jīng)濟效益顯著。但存在著噪聲大的缺點，不僅污染了環(huán)境，也惡化了工作條件，限制了它的進一步應用，因此氣冷式羅茨真空泵的噪聲研究得到了廣泛關注。真空技術網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認為氣冷式羅茨真空泵的噪聲主要由氣動噪聲和機械噪聲構成，氣動噪聲具有強度高、危害大的特點，是氣冷式羅茨真空泵的主要噪聲。氣動噪聲主要由氣體脈動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和紊流產(chǎn)生的渦流噪聲組成。

　　在中心距和外圓半徑相同的條件下，三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵的容積利用系數(shù)比兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵高。目前國內(nèi)氣冷式羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子型線基本上是兩葉寬頭圓弧擺線，采用三葉圓弧擺線型線，可提高抽氣效率。本文應用FLUENT 軟件數(shù)值模擬泵的內(nèi)部流場，對兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子型線氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲進行研究，分析氣動噪聲產(chǎn)生的來源，為設計低噪聲的氣冷式羅茨真空泵提供參考。

1、計算模型

　　1.1、基本方程

　　(1) 連續(xù)性方程

　　(2) 運動方程

　　(3) 能量守恒方程

　　式中ρ 是密度，t 是時間，ui 是速度矢量，u、v、w是速度矢量ui 在x、y、z 方向的分量。p 是流體微單元體上的壓力，μ 是動力粘度，Su,Sv,Sw 是動量守恒方程的廣義源項，cp 是比熱容，T 為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST 為粘性耗散項。

　　1.2、湍流模型

　　采用RNG k-ε 湍流模型。k 方程和ε 方程分別為：

　　式中Gk 是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項。

　　1.3、數(shù)值解法

　　湍流模型采用RNG k-ε 模型，該模型考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，能夠更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。采用有限體積法求解, 壓力速度耦合方程采用PISO算法求解，壓力項采用PRESTO! 格式離散, 其余項采用二階迎風格式。采用動網(wǎng)格技術通過函數(shù)定義實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。壁面附近采用壁面函數(shù)法。

　　1.4、模型建立及網(wǎng)格劃分

　　根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子的LQ300 氣冷式羅茨真空泵建立模型。主要參數(shù)有：抽氣速率為300 L/s，中心距180 mm，電機轉(zhuǎn)速為1490 rpm。由于模型的計算為非定常，計算區(qū)域劃分網(wǎng)格的尺寸小，劃分的總體網(wǎng)格數(shù)大，計算時間較長，三維模型徑向截面流動同二維的流動情況基本相同，二維的計算模型已經(jīng)能夠滿足分析流場的需要，因此計算中采用了二維模型。圖1、圖2分別為兩葉、三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型。

圖1 兩葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型

圖2 三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵二維流道模型

　　為便于計算以及盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，進氣、排氣區(qū)域非旋轉(zhuǎn)區(qū)域因為在計算過程中網(wǎng)格沒有變化，采用四邊形結構化網(wǎng)格;旋轉(zhuǎn)流場區(qū)域，網(wǎng)格隨時間變化，為減小不同時刻網(wǎng)格的扭曲率以及計算的收斂性，采用三角形網(wǎng)格，對于兩葉轉(zhuǎn)子，整個流場的初始網(wǎng)格數(shù)為168604，網(wǎng)格最大扭曲率為0.447306。對于三葉轉(zhuǎn)子，整個流場的初始網(wǎng)格數(shù)為115340， 網(wǎng)格最大扭曲率為0.505867。

　　1.5、邊界條件及初始條件設置

　　邊界條件設置如下：進氣壓力為5000 Pa，進氣溫度為20℃，排氣壓力為20000 Pa，排氣溫度為140℃。左右兩返冷氣壓力為20000 Pa，溫度為30℃。上述所采用的壓力均為絕對壓力值。流動介質(zhì)采用空氣，按理想氣體設置屬性，初始化整個流場。

2、數(shù)值模擬結果及分析

　　2.1、進氣噪聲

　　輸出兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周(0.04027S)的進氣速率圖，如圖3、圖4 為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子進氣速率脈動曲線。不考慮泵開始運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定狀態(tài);泵正常運轉(zhuǎn)后，進氣速率脈動與轉(zhuǎn)子的結構相一致。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，進排氣腔容積不斷發(fā)生由大變小、再由小變大的周期變化，氣體受到周期性擾動，引起速率波動。兩葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)四個完整的脈動周期，三葉轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)六個完整的脈動周期，與理論預測結果相同。從圖3、圖4 中可以看出，兩葉轉(zhuǎn)子泵的最大進氣瞬時速率為1400 L/s，最小進氣瞬時速率為100 L/s，波動幅度較大。三葉轉(zhuǎn)子泵的最大進氣瞬時速率為1000 L/s，最小進氣瞬時速率為100 L/s。兩者相比之下，兩葉轉(zhuǎn)子的進氣速率脈動比三葉的大的多。脈動越大，進氣氣動噪聲越大。

圖3 兩葉轉(zhuǎn)子進氣速率脈動曲線

圖4 三葉轉(zhuǎn)子進氣速率脈動曲線

　　2.2、排氣噪聲

　　圖5、圖6 為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子排氣速率脈動曲線，從這兩圖中可看出，不論是兩葉還是三葉轉(zhuǎn)子氣冷式羅茨真空泵，與各自的進氣速率脈動相比，排氣脈動小，排氣狀況較好。

圖5 兩葉轉(zhuǎn)子排氣速率脈動曲線

圖6 三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子排氣速率脈動曲線

　　相比之下，三葉轉(zhuǎn)子的排氣速率脈動比兩葉轉(zhuǎn)子的排氣速率脈動要大。這是由于兩葉轉(zhuǎn)子頭部有大圓弧密封，工作腔與返冷氣口相通時，與排氣腔是隔離的，如圖7。這樣，工作腔內(nèi)的氣體壓力與返冷氣均壓后基本達到返冷氣壓力(20000 Pa)時，再與排氣腔相通，因此排氣平緩。而三葉轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)子頭部沒有大圓弧密封頭,如圖8，工作腔同時與返冷氣口、排氣腔相通，排氣腔的高壓氣體(壓力20000 Pa)向工作腔(壓力7000 Pa)快速返流，使氣流受到?jīng)_擊與壓縮形成脈動，因此排氣速率脈動較大。當三葉轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定角度轉(zhuǎn)過返冷氣口的位置時，工作腔才與返冷氣口相通并與排氣腔隔離。工作腔內(nèi)氣體的壓力基本達到返冷氣口的壓力(如圖8 的左工作腔)，再與排氣腔相通，排氣較平緩。

圖7 兩葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通的壓力分布

圖8 三葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口、排氣腔相通的壓力分布

　　2.3、工作腔與返冷氣口相通均壓過程產(chǎn)生的噪聲

　　當工作腔與返冷氣口相通時，高壓返冷氣體高速流入工作腔，與工作腔內(nèi)的低壓氣體混合，形成渦旋，實現(xiàn)工作腔內(nèi)的均壓，同時產(chǎn)生了渦

　　流噪聲。不考慮兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子與三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子的容積利用系數(shù)差異的影響，兩葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子在相同的中心距和圓弧外徑的條件下，三葉轉(zhuǎn)子V3 的封閉工作腔容積是兩葉轉(zhuǎn)子的封閉工作腔容積V2 的2/3，兩葉轉(zhuǎn)子的返冷氣進入工作腔的速率大于三葉轉(zhuǎn)子的速率，并且兩葉轉(zhuǎn)子的均壓過程中產(chǎn)生的氣流沖擊及渦旋強度均大于三葉轉(zhuǎn)子，如圖9、圖10 所示。渦旋強度越大，產(chǎn)生的渦流噪聲也越大。

圖9 兩葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通時的速度分布

圖10 三葉轉(zhuǎn)子右工作腔與返冷氣口相通時的速度分布

　　2.4、間隙泄漏產(chǎn)生的噪聲

　　兩葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子頭部有個大圓弧密封頭，而三葉圓弧擺線轉(zhuǎn)子由于結構限制，轉(zhuǎn)子頭部不能設計成與兩葉轉(zhuǎn)子這樣的大圓弧密封頭，因此在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵體內(nèi)壁間隙相同的情況下，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵更容易通過各種間隙從高壓區(qū)向低壓區(qū)返流，不僅產(chǎn)生較大的氣動噪聲，而且降低泵的極限真空度。

3、結論

　　氣冷式羅茨真空泵的主要氣動噪聲并非主要來自排氣腔處氣流的周期性脈動，而是來自進氣腔處氣流的周期性脈動、工作腔與返冷氣口相通均壓過程及間隙泄漏產(chǎn)生的氣動噪聲。進氣腔處氣流的周期性脈動及工作腔與返冷氣口相通均壓過程產(chǎn)生的氣動噪聲，兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅

　　茨真空泵要比三葉轉(zhuǎn)子的氣動噪聲要大;而排氣腔處氣流的周期性脈動及間隙泄漏產(chǎn)生的氣動噪聲，雖然兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵比葉轉(zhuǎn)子的要小，但影響不大。因此，從模擬結果上看，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵產(chǎn)生的氣動噪聲比兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的氣動噪聲要小。根據(jù)真空泵測試標準對抽速為300 L/s三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲進行測試，測得的噪聲平均值為98.6 dB，而在同樣的測試條件下兩葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的噪聲為104.4 dB，三葉轉(zhuǎn)子的氣冷式羅茨真空泵的降噪效果明顯。